JP5043514B2 - 超音波式渦流量計 - Google Patents
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Description
従来の超音波式渦流量計では、被測流体が流れる流路内に流れ方向と直交する方向に延在形成された渦発生体を設け、渦発生体の下流には1組または2組の超音波センサを設けて渦発生体の下流に発生するカルマン渦を検出するように構成されている(例えば、特許文献1参照)。このような超音波式流量計では、1組の超音波センサは、互いに対向するように流路内に設けられており、一方が超音波を送信する送信側であり、他方が被測流体中を伝搬した超音波を受信する受信側となる。
しかし、一般的に、渦信号には、フローノイズや配管振動などから受ける外乱ノイズが重畳されている。
請求項1記載の発明は、被測流体が流れる流路が形成された流量計本体と、
前記流路内に流れ方向と直交するように設けられた渦発生体と、
所定周期の送信信号により超音波を送信する超音波送信器と、
該超音波送信器から送信された超音波を受信する超音波受信器と、
を備え、
該超音波受信器で受信された前記渦発生体の下流に発生するカルマン渦の影響を受けた受信信号を用いて、当該カルマン渦の発生により当該受信信号に生ずる位相変調量を示す渦信号を生成する渦信号生成手段と、
該渦信号生成手段により生成された渦信号の周期を表す渦周波数から前記被測流体の流量を演算する流量演算手段と、
を備えた超音波式渦流量計において、
前記流量計本体の流路の口径毎の気泡混入前の被測流体の流量に対する渦周波数と気泡混入率との関係を記憶する記憶手段と、
前記渦信号生成手段からの信号をA/D変換した渦信号の振幅電圧に基づき前記被側流体への気泡の混入の有無を検知する気泡検知手段と、
前記気泡検知手段が気泡の混入を検知したとき、前記流量演算手段によって演算した気泡混入の直前の被測流体の流量、及び、前記記憶手段に記憶された気泡混入前の被測流体の流量に対する渦周波数と気泡混入率との関係に基づき、気泡混入量を演算する気泡混入量演算手段と、
を設けたことを特徴とする。
本発明は、超音波式の渦流量計は、気泡による影響を受けやすいことを利用すれば、気泡混入の検知が容易であるという考えに基づきなされたものである。その点で、超音波式渦流量計では、今までノイズとして除去されてきた、気泡混入時の渦信号の変化に着目した。
気泡の大きさ(気泡の径)と、管路内圧と関係については、計測される流体の温度を一定とすると、気泡内の空気についてボイルの法則
PV=k(ここで、P:気泡内の空気の圧力 V:気泡の体積 k:定数)
が成り立つ。気泡の体積は、気泡を半径rの球とすると、
V=(4πr3)/3
である。上記2式より、
このことから、気泡の半径は、被計測流体の温度が一定であれば管路内圧の逆数1/Pに比例した関数と見ることができる。つまり、管路の内圧が一定であれば、気泡の径は常にほぼ同じ大きさと考えて差し支えない、ということになる。
以上のことから、気泡混入時の渦周波数は、気泡混入量に応じて周波数が変化し、図4の実験値、液体混入量と気泡混入量に応じて一意に渦周波数が決定される。
図1は、本発明による超音波式渦流量計の一実施例の回路構成を示すブロック図である。
図1に示されるように、超音波式渦流量計10は、被測流体が流れる流路12を内部に有する流量計本体14と、流量計本体14の流路12内で被測流体の流れ方向(図1中矢印で示す)と直交する垂直方向に延在する渦発生体16とを有する。この渦発生体16は、上方からみると水平方向の断面が概略五角形になっている。
流量計本体の渦発生体16の下流側の流路内壁には、超音波送信器20と超音波受信器22とが対向するように取り付けられている。そして、超音波送信器20及び超音波受信器22は、圧電素子からなる超音波センサを有しており、駆動回路24から超音波送信器20に駆動信号が入力されると、超音波送信器20から送信された超音波が流路12を流れる被測流体中を伝搬して超音波受信器22によって受信される。
図3は、図4に示されるデータに基づき、所定の口径に対する気泡混入前後の渦周波数の関係から、気泡混入量を決定するためのマップの一例である。このマップは、メモリ部47に記憶されている。マップ中、斜線の意味は、気泡混入時に生じ得ない周波数であることを意味する。この周波数は、気泡の混入時の位相差信号電圧の変化から知ることができる。なお、このマップは、流量計の口径、渦発生柱、流路の形状、液体等によって変わるので、設置時に調整し、メモリ部44に記憶しておく。なお、本実施例1におけるメモリ部44の記憶内容は図3に示されるとおりマップをそのままのものであるが、気泡混入前後の渦周波数の関係から気泡混入量を求めるための関係式を図4のデータより導き出して、この関係式をメモリ部44に記憶するようにしても良い。
なお、この制御フローは、ブロック回路の気泡検知部61,気泡混入量演算部47,流量演算部46で行われている制御を示すものである。
処理を開始すると、先ず周波数計測をする(ステップS1)。次に渦信号の電圧を計測し(ステップS2)、この電圧の絶対値を判定値と比較する(ステップS3)。判定の結果、気泡なしならば、そのときの周波数をf1として記憶し(ステップS4)、出力(気泡混入を報知するアラーム)をオフにした後に(ステップS5)、再び渦信号計測(ステップS1)に戻る。
前記実施例では、気泡混入量を演算・出力するものであるが、この変形例では、管路がすべて液体であると仮定した流量から、気泡混入量を差し引くことで、気体流量分を除いた、正確な液体流量を求めるものである。
図5において、説明すれば、ステップS1〜S8までは上記実施例と同じであるのでその説明を省略する。ステップS9において、気泡混入量が求められるが、ステップS10で流量Q1から気泡混入量を減ずることで、液体流量QLを求めることができ、ステップS11でその値を出力する。
実施例1および変形例1では、気泡混入量や液体流量を演算・出力するものであるが、変形例2は、管路がすべて液体で満たされていると仮定した場合の流量を含め、前述の各流量の何れか、または複数の流量を選択して、適宜切り替えて出力するものである。
図6は変形例2の回路構成を説明するものであって、流量演算部46にさらに流量、液体流量、気泡混入量のいずれかを選択する切替スイッチ(読み出し手段)48を接続し、その入力信号を流量演算部46で検出する。
図7、図8は、変形例2の制御フローを示すものである。図7において、変形例1のステップS10の後に、切替スイッチ48によりステップS13において、「現在の表示モード」を選択し、モード1〜3のうち、必要なモードを選択するものである。
12 流路
14 流量計本体
16 渦発生体
17 カルマン渦
20 超音波送信器
22 超音波受信器
24 駆動回路
26 流量演算部
28 受信回路
29 位相比較回路(渦信号生成手段)
32 コンパレート回路
34 演算回路
36 A/D変換部
38 バンドパスフィルタ部(フィルタ部)
40 カウンタ部
42 周波数設定部(設定手段)
44 メモリ(記憶手段)
46 流量積算部(流量演算手段)
48 切替スイッチ(読み出し手段)
60 A/D変換部
61 気泡検知部(気泡検知手段)
Claims (2)
- 被測流体が流れる流路が形成された流量計本体と、
前記流路内に流れ方向と直交するように設けられた渦発生体と、
所定周期の送信信号により超音波を送信する超音波送信器と、
該超音波送信器から送信された超音波を受信する超音波受信器と、
を備え、
該超音波受信器で受信された前記渦発生体の下流に発生するカルマン渦の影響を受けた受信信号を用いて、当該カルマン渦の発生により当該受信信号に生ずる位相変調量を示す渦信号を生成する渦信号生成手段と、
該渦信号生成手段により生成された渦信号の周期を表す渦周波数から前記被測流体の流量を演算する流量演算手段と、
を備えた超音波式渦流量計において、
前記流量計本体の流路の口径毎の気泡混入前の被測流体の流量に対する渦周波数と気泡混入率との関係を記憶する記憶手段と、
前記渦信号生成手段からの信号をA/D変換した渦信号の振幅電圧に基づき前記被側流体への気泡の混入の有無を検知する気泡検知手段と、
前記気泡検知手段が気泡の混入を検知したとき、前記流量演算手段によって演算した気泡混入の直前の被測流体の流量、及び、前記記憶手段に記憶された気泡混入前の被測流体の流量に対する渦周波数と気泡混入率との関係に基づき、気泡混入量を演算する気泡混入量演算手段と、
を設けたことを特徴とする超音波式渦流量計。 - 前記流量演算手段によって演算した被測流体の流量から、前記気泡混入量演算手段が演算した気泡混入量を減じて、気泡を除いた被測流体の流量を演算することを特徴とする請求項1に記載の超音波式渦流量計。
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JP4146699B2 (ja) * | 2002-09-27 | 2008-09-10 | トキコテクノ株式会社 | 超音波式渦流量計 |
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- 2007-05-29 JP JP2007141974A patent/JP5043514B2/ja active Active
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